Elektrische Leitung
Eine elektrische Leitung ist ein Gegenstand oder System zum Transport elektrischer Energie sowie der Signalübertragung in der leitungsgebundenen Nachrichtentechnik und der leitungsgebundenen Hochfrequenztechnik. Sie ist Teil eines elektrischen Stromkreises oder Stromnetzes und verbindet so Stromquelle und Verbraucher. Für den Transport fließen Elektronen als Leiterstrom. Für geringen Spannungsabfall beziehungsweise geringe Transportverluste soll das leitende Material eine hohe elektrische Leitfähigkeit aufweisen, wozu sich einige Metalle besonders gut eignen. Die Querschnittsfläche des Leiters muss die zulässige Stromdichte berücksichtigen. Die technische Ausführung von Leitungen orientiert sich an den Erkenntnissen der Leitungstheorie.
Beschreibung
die leitenden Kupferdrähte werden sichtbar, (braun = Außenleiter)
Elektrische Leitungen bestehen aus metallischen elektrischen Leitern, in der Regel in Form von Drähten oder Litzen, aber auch von Bändern bzw. Schienen aus Kupfer, Aluminium, Silber (z. B.: HiFi-Kabel, HF-Leitung) oder aus Stahl (z. B.: Schiene von Eisenbahn, Straßenbahn), sowie meist deren isolierender Umhüllung. Sind mehrere gegeneinander isolierte Leiter (Adern) zusammengefasst, werden sie als Leitung oder Kabel bezeichnet.
Ein einzelner mit einem Isolierstoff umhüllter Leiter innerhalb eines Kabels oder einer Leitung wird als Ader bezeichnet. Kabeln und Leitungen ist gemeinsam, dass die inneren, gegeneinander isolierten Adern von einem gemeinsamen Mantel vom umgebenden Medium geschützt werden.
Unter Kabeln versteht man isolierte elektrische Leiter oder Leitungen, die fest verlegt werden und deren äußere schützende Hülle (im Unterschied zu Leitungen) so robust ist, dass sie auch in Erde und unter Wasser verlegt werden können.[1]
Leitungen, bei denen die Umgebungsluft als Isolator dient, heißen Freileitungen. Sie werden an Isolatoren aufgehängt.
Der Begriff elektrische Leitung bezeichnet auch allgemein eine niederohmig leitende Verbindung zwischen elektrischen Bauelementen, unabhängig von Größe, Material und Ausführung. Letztere bestimmt sich nach den Anforderungen an Spannungsfestigkeit, Belastbarkeit durch Strom, der Frequenz sowie den Umgebungsbedingungen, denen die Leitung ausgesetzt ist.
Die elektrischen Eigenschaften einer elektrischen Leitung werden durch Leitungsbeläge, Wellenimpedanz und Durchschlagsfestigkeit beschrieben. Die Querschnittsfläche beeinflusst den Leitungswiderstand und die Erwärmung relativ zur Stromdichte. Wesentliche weitere Eigenschaften einer elektrischen Leitung sind die zulässigen Werte für den minimalen Biegeradius, die maximale Zugfestigkeit und die Temperaturbeständigkeit der Isolierstoffe.
Man unterscheidet weiterhin zwischen Leitungen und Kabeln für die feste Verlegung und Leitungen für den Anschluss ortsveränderlicher Betriebsmittel, die als flexible Leitungen ausgeführt werden, die Litzen als Leiter enthalten.
Leitungen unterscheiden sich allgemein nach Leiterart (eindrähtig, mehrdrähtig, fein- oder feinstdrähtig), Adernzahl, Querschnittsfläche, Isolierstoff und Mantelwerkstoff.
Leitungen für die feste Verlegung unterteilen sich in einadrige Verdrahtungsleitungen (Kunststoffaderleitungen, Schaltdrähte, Klingeldrähte, Stromschienen), Stegleitungen (flach nebeneinander liegende isolierte Leiter, untereinander verbunden durch einen Kunststoff- bzw. Gummi-Steg) und Mantelleitungen.
Die Adernisolation, wie auch der Mantelwerkstoff besteht häufig aus PVC oder Gummi (z. B. SBR, CR). Bei flexiblen Leitungen gibt es Zwillingsleitungen, Gummischlauchleitungen, Kunststoffschlauchleitungen und Silikon-Aderschnüre.
Ferner können Leitungen in Starkstromleitungen, Leitungen für Melde- und Signalanlagen, sowie Leitungen für Datennetze unterschieden werden.
Anwendungen
Elektrische Energieübertragung
Leitungen für die Übertragung speziell bei hoher elektrischer Leistung sind Hochspannungsleitungen in Form von Freileitungen oder Kabeln. Bei Freileitungen werden die Leiter auch als Seil (Leiterseil, Erdseil) bezeichnet und mittels spezieller Aufhängungen an Isolatoren befestigt. Oberleitungen sind Freileitungen zur Versorgung elektrischer Fahrzeuge über einen Stromabnehmer. Als technische Ausführung von Hochspannungsleitungen kommen meist Drehstromleitungen zur Anwendung. Als Alternative gibt es Gleichstrom-Fernleitungen und Leitungen für Einphasenwechselstrom, letztere insbesondere für Niederspannungs- und für Bahnstromleitungen. Es sind auch Hybridleitungen zur kombinierten Übertragung üblich.
Zur Stromversorgung von ortsfesten Verbrauchern hoher elektrischer Leistung bei niedriger Spannung (z. B. Elektrolyse) werden Stromschienen eingesetzt.[2] Sie können große Stromstärken führen (Richtwert für Dauerstrom 100–3000 A, bei Gleichstrom bis > 10 kA) und werden mit rechteckigem Querschnitt 12 mm × 2 mm bis 200 mm × 10 mm hergestellt, seltener mit kreisförmigem Querschnitt. Angesichts des Problems der Abführung der Stromwärme sind die Schienen nicht isoliert. Flexible Leitungen für härtere Einsatzbedingungen sind Strombänder.
Eine weitere Bedeutung hat der Begriff Stromschiene zur Stromversorgung von elektrisch getriebenen Schienenfahrzeugen und anderen beweglichen Stromverbrauchern alternativ zur Oberleitung.
Eine spezielle Form der elektrischen Leitung sind Schienenverteilersysteme nach DIN EN61439-6: Für Strombereiche von wenigen Ampere bis zu einigen Kilo-Ampere kann elektrische Energie übertragen und verteilt werden. Als Leiterwerkstoffe werden in der Regel Kupfer- oder Aluminium-Flachschienen eingesetzt, welche durch Luft und / oder Feststoffe aus Kunststoff gegeneinander isoliert sind. Um Energie dezentral von Schienenverteilersystemen abzugreifen, werden Abgangskästen auf das System gesteckt, welche über interne Schutzkomponenten (z. B. Leistungsschalter oder Sicherungselemente) an externe Verbraucher angeschlossen werden können.
Die verlustlose Energieübertragung mit Supraleitungskabel ist noch in der Erprobung. Das weltweit längste Kabel von ca. 1 km Länge wird im Jahr 2013 in der Innenstadt von Essen verlegt. Seine Stromdichte kann gegenüber Kupfer hundertfach größer sein; die Stromstärke kann gegenüber vergleichbaren Kupferkabeln fünffach größer sein.[3]
Signalübertragung
In der Kommunikationstechnik steht der Begriff Leitung noch allgemeiner für einen Signalübertragungsweg, der unter Umständen gar nicht aus einem elektrischen Leiter im eigentlichen Sinne zu bestehen braucht. Ein typisches Beispiel für eine Leitung zur Signalübertragung ist die Teilnehmeranschlussleitung, die sich physisch meist innerhalb von Telefonkabeln befindet. Eine nicht nur modellhafte elektrische Leitung ist dagegen beispielsweise das Telefonanschlusskabel oder ein Netzwerkkabel.
Hochfrequenzleitungen
Leitungen und Kabel für hohen Frequenzen haben eingeschränkte Aufbauvarianten. Gründe sind der Skineffekt und die Vermeidung der Abstrahlung elektromagnetischer Wellen. Beispiele sind Koaxialkabel, Bandleitungen, Hochfrequenzlitze, Schlitzkabel, sowie Hohlleiter und andere Wellenleiter. Im Regelfall dürfen keine beliebigen Abschlusswiderstände verwendet werden und die Kabelimpedanz muss konstant sein, um mit Fehlanpassung verbundene Reflexionen zu vermeiden. Dementsprechend wird meist Leistungsanpassung gewählt.
Typenkurzzeichen
Literatur
- Günter Springer: Fachkunde Elektrotechnik. 18. Auflage. Europa-Lehrmittel, 1989, ISBN 3-8085-3018-9.
- Ernst Hörnemann: Fachbildung Industrieelektronik. 1. Auflage. Westermann Schulbuchverlag, Braunschweig 1998, ISBN 3-14-221730-4.
Einzelnachweise
- Kupfer in der Elektrotechnik – Kabel und Leitungen. (PDF; 650 kB) Deutsches Kupfer-Institut e. V., S. 18, abgerufen am 20. Februar 2019.
- DIN 43671 Stromschienen aus Kupfer – Bemessung für Dauerstrom
- Klaus Jopp: Strom ohne Widerstand. (PDF; 4,3 MB) (Nicht mehr online verfügbar.) S. 28, archiviert vom Original am 11. Dezember 2015; abgerufen am 3. Juli 2013.